一種鋯合金包殼管表面制備氧化膜標準件的方法
【技術領域】
[0001]—種鋯合金包殼管表面制備氧化膜標準件的方法，屬于材料表面處理技術領域。
【背景技術】
[0002]鋯合金包殼管是重要的核材料，大量用于制造水冷反應堆的核燃料組件及堆內結構。標準的鋯合金包殼管為外徑Φ9.5，壁厚0.65_的中空管。管內填充核燃料，外壁與水介質接觸，核裂變后通過包殼管將熱能傳向水介質，實現核能向熱能的轉變與利用。
[0003]鋯合金包殼管外壁長期與高溫高壓水接觸，受到高溫高壓水的腐蝕，表面會生成氧化鋯膜層，合金基體逐漸轉變為脆性的Zr02，導致鋯合金包殼管力學性能下降，導熱性變差，管壁變薄，并最終失效。
[0004]在對堆芯核燃料棒鋯合金包殼管的定期檢修中，其表面氧化膜厚度的測量是一項重要的工作，檢測數據的精準性關系到包殼材料使用壽命的預測與更換時間計劃。受核輻射限制與現場檢測要求，目前普遍采用渦流測厚方法對運行一段時間后堆芯中的鋯合金包殼管表面氧化膜厚度進行測量。膜層測厚儀標準片，又稱膜厚片，用于校正膜層測厚儀的準確性，是實現渦流測厚精準性的基礎。從實際應用來看，堆芯中鋯合金包殼管表面生成氧化膜的厚度在幾十微米到上百微米不等，因此所開發的渦流測量技術需要制備幾十微米到上百微米的不同氧化膜厚度鋯合金包殼管標準件。
[0005]目前適合在鋯合金包殼管表面制備標準件氧化膜的現有技術包括高溫氧化、高壓釜內氧化與電化學(微弧)氧化等幾種方法。德國卡爾斯魯厄核研究中心在高溫下通入水蒸氣對鋯管進行氧化，氧化膜生成較厚，但厚度不均且難以控制，氧化膜內存在很多裂紋。高壓釜內水介質氧化與電化學(微弧)氧化可降低氧化的溫度，但氧化膜生長緩慢，厚度難以控制，一般在幾微米到幾十微米，難以制備上百微米厚的氧化膜。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種適用于鋯合金包殼表面氧化膜標準件的制備方法，特別是厚度大于100微米氧化膜的標定件制備。
[0007]本發明的鋯合金包殼管表面氧化膜標準件的制備方法由如下步驟組成:
(1)前處理:將鋯合金包殼管切割成長20?150mm，表面拋光、兩端用絕緣材料封堵，由內壁引出導線；
(2)微弧氧化:將經前處理的鋯合金包殼管放入盛裝電解液的不銹鋼電解槽中，以鋯合金包殼管為陽極，不銹鋼電解槽為陰極，進行微弧氧化至所需厚度的微弧氧化膜層；
(3)退火處理:將氧化后的鋯合金包殼管退火處理，退火溫度500?1000°C，保溫時間30?300分鐘，在1小時內冷卻至100°C以下，得到所述的鋯合金包殼管表面氧化膜標準件。
[0008]所述微弧氧化電解液的組成為:含多聚磷酸鈉10?40g/L，檸檬酸鈉5?30g/L，EDTA (乙二胺四乙酸二鈉)5?30g/L和堿金屬氫氧化物1?5g/L的去離子水溶液。
[0009]優選的微弧氧化電解液的組成為:含多聚磷酸鈉40g/L，檸檬酸鈉10g/L，EDTA30g/L和氫氧化鉀10g/L的去離子水溶液。
[0010]所述堿金屬氫氧化物為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
[0011]所述微弧氧化的工藝參數為:槽液溫度25?60°C，正向電壓300?480V，占空比20?50% ;負向電壓50?100V，占空比30?80%，頻率:100?1000Hz，氧化時間5?60分鐘。
[0012]優選的微弧氧化的工藝參數為:槽液溫度30°C，正向電壓450V，占空比45% ;負向電壓60V，占空比60%，頻率:800Hz，時間60分鐘。
[0013]由于上述技術方案的運用，本發明與現有技術相比具有如下優勢:
1.可在鋯合金包殼管表面獲得厚度均勻，結構致密氧化鋯膜層；
2.氧化膜制備效率高，厚度可在5?120微米范圍內調控；
3.氧化膜致密，無滲水性，可實現水下環境對渦流測厚儀的校準。
【附圖說明】
[0014]圖1鋯合金包殼管表面氧化鋯膜層截面照片。
[0015]圖2實施例2的鋯合金包殼管表面氧化膜截面形貌與厚度測量。
【具體實施方式】
[0016]下面對本發明的實施例作詳細說明，實施例中給出了實施方式和具體操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0017]實施例1
1)前處理:鋯合金包殼管長50mm，兩端用絕緣材料封堵，由內壁引出導線；
2)微弧氧化:將經前處理的鋯合金放入盛裝電解液的不銹鋼電解槽中，以鋯合金包殼管為陽極，以不銹鋼電解槽為陰極，進行微弧氧化；
3)退火處理:將氧化后的高合金管置于電阻爐內進行退火處理，退火溫度500°C，120分鐘，在1小時內冷卻至100°C以下。
[0018]微弧氧化電解液組成為:含多聚磷酸鈉30g/L，檸檬酸鈉20g/L，EDTA 2g/L和氫氧化鈉2g/L的去離子水溶液。
[0019]微弧氧化的工藝參數為:槽液溫度30°C，正向電壓350V，占空比30%;負向電壓60V，占空比50%，頻率:800Hz，時間10分鐘。
[0020]在鋯合金包殼管兩端取樣，封成金相試樣，在掃描電鏡下觀察，厚度均勻，測量厚度為39.2?41.2 μ m，如圖1所示。
[0021]實施例2
1)前處理同實施例1。管長lOOmrn。
[0022]2 )微弧氧化:同實施例1。
[0023]3)退火處理:將氧化后的高合金管置于電阻爐內進行退火處理，退火溫度700°C，120分鐘，在1小時內冷卻至100°C以下。
[0024]微弧氧化電解液組成為:含多聚磷酸鈉30g/L，檸檬酸鈉15g/L，EDTA 25g/L和氫氧化鉀5g/L的去離子水溶液。
[0025]微弧氧化的工藝參數為:槽液溫度30°C，正向電壓400V，占空比35%;負向電壓60V，占空比45%，頻率:800Hz，時間45分鐘。
[0026]測量本實施例的氧化膜厚度為76?78 μ m，如圖2所示。
[0027]實施例3
1)前處理同實施例2。
[0028]2 )微弧氧化:同實施例1。
[0029]3)退火處理:將氧化后的高合金管置于電阻爐內進行退火處理，退火溫度900°C，120分鐘，在1小時內冷卻至100°C以下。
[0030]微弧氧化電解液組成為:含多聚磷酸鈉40g/L，檸檬酸鈉10g/L，EDTA 30g/L和氫氧化鉀10g/L的去離子水溶液。
[0031]微弧氧化的工藝參數為:槽液溫度30°C，正向電壓450V，占空比45%;負向電壓60V，占空比60%，頻率:800Hz，時間60分鐘。
[0032]測量本實施例的氧化膜厚度為103?108 μ m。
【主權項】
1.一種鋯合金包殼管表面制備氧化膜標準件的方法，其特征是由如下步驟組成: (1)前處理:將鋯合金包殼管切割成長20?150mm，表面拋光、兩端用絕緣材料封堵，由內壁引出導線； (2)微弧氧化:將經前處理的鋯合金包殼管放入盛裝電解液的不銹鋼電解槽中，以鋯合金包殼管為陽極，不銹鋼電解槽為陰極，進行微弧氧化至所需厚度的微弧氧化膜層； (3)退火處理:將氧化后的鋯合金包殼管退火處理，退火溫度500?1000°C，保溫時間30?300分鐘，在1小時內冷卻至100°C以下，得到所述的鋯合金包殼管表面氧化膜標準件。2.根據權利要求1所述的鋯合金包殼管表面制備氧化膜標準件的方法，其特征是所述電解液的組成為:含多聚磷酸鈉10?40g/L，檸檬酸鈉5?30g/L，EDTA 5?30g/L和堿金屬氫氧化物1?5g/L的去離子水溶液。3.根據權利要求2所述的鋯合金包殼管表面制備氧化膜標準件的方法，其特征是所述堿金屬氫氧化物為氫氧化鈉或氫氧化鉀。4.根據權利要求1或2所述的鋯合金包殼管表面制備氧化膜標準件的方法，其特征是所述電解液的組成為:含多聚磷酸鈉40g/L，檸檬酸鈉10g/L，EDTA 30g/L和氫氧化鉀10g/L的去離子水溶液。5.根據權利要求1所述的鋯合金包殼管表面制備氧化膜標準件的方法，其特征是所述所述微弧氧化的工藝參數為:槽液溫度25?60°C，正向電壓300?480V，占空比20?50% ；負向電壓50?100V，占空比30?80%，頻率:100?1000Hz，氧化時間5?60分鐘。6.根據權利要求1或5所述的鋯合金包殼管表面制備氧化膜標準件的方法，其特征是所述所述微弧氧化的工藝參數為:槽液溫度30°C，正向電壓450V，占空比45%;負向電壓60V，占空比60%，頻率:800Hz，時間60分鐘。
【專利摘要】一種鋯合金包殼管表面制備氧化膜標準件的方法，其特征是1）前處理：鋯合金包殼管長50mm，兩端用絕緣材料封堵，由內壁引出導線；2）微弧氧化：將經前處理的鋯合金放入盛裝電解液的不銹鋼電解槽中，以鋯合金包殼管為陽極，以不銹鋼電解槽為陰極，進行微弧氧化；3）退火處理：將氧化后的高合金管置于電阻爐內進行退火處理，退火溫度500℃，120分鐘，在1小時內冷卻至100℃以下。本發明的方法可在鋯合金包殼管表面獲得厚度均勻，結構致密氧化鋯膜層，制備效率高，提供了一種適用于鋯合金包殼表面氧化膜標準件的制備方法，特別是厚度大于100微米氧化膜的標定件制備。
【IPC分類】C22F1/18, G21C21/02, C25D11/26, G21C3/06
【公開號】CN105420787
【申請號】CN201510820334
【發明人】張吉阜, 劉敏, 肖曉玲, 陳興馳, 鄧暢光, 周克崧
【申請人】廣州有色金屬研究院
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月24日